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数字电压表文档
《单片机技术》课程设计说明书
数字电压表
院、部:
电气与信息工程学院
学生姓名:
张嘉文
指导教师:
王韧职称副教授
专业:
电气工程及其自动化
班级:
电气本1103
完成时间:
2014年6月
湖南工学院
课程设计任务书
课程:
单片机技术
课程设计题目:
数字电子钟
数字频率计
数字电压表
交通灯
抢答器
密码锁
波形发生器
数字温度计
计算器
数字式秒表
适用班级:
电气本1101~2、电气本1103~4
电气本1105~自本1101
时间:
2013~2014学年第二学期
指导教师:
王韧
《单片机技术》课程设计任务书
一、设计题目:
数字电子钟、数字频率计、数字电压表、交通灯、抢答器、密
锁、波形发生器、数字温度计、计算器、数字式秒表。
二、适用班级:
电气本1101~2、电气本1103~4、电气本1105~自本1101
三、指导教师:
王韧
四、设计目的与任务:
学生通过理论设计和实物制作解决相应的实际问题,巩固和运用在《单片机技术》中所学的理论知识和实验技能,掌握单片机应用系统的一般设计方法,提高设计能力和实践动手能力,为以后从事电子电路设计、研发电子产品打下良好的基础。
五、设计内容与要求
设计内容
1、数字电子钟
设计一个具有特定功能的电子钟。
该电子钟上电或按键复位后能自动显示系统提示符“P.”,进入时钟准备状态;第一次按电子钟启动/调整键,电子钟从0时0分0秒开始运行,进入时钟运行状态;再次按电子钟启动/调整键,则电子钟进入时钟调整状态,此时可利用各调整键调整时间,调整结束后可按启动/调整键再次进入时钟运行状态。
2、数字频率计
设计一个能够测量周期性矩形波信号的频率、周期、脉宽、占空比的频率计。
该频率计上电或按键复位后能自动显示系统提示符“P.”,进入测量准备状态。
按频率测量键则测量频率;按周期测量键则测量周期;按脉宽测量键则测量脉宽;按占空比测量键则测量占空比。
3、数字电压表
设计一个能够测量直流电压的数字电压表。
测量电压范围0~5V,测量精度小数点后两位。
该电压表上电或按键复位后能自动显示系统提示符“P.”,进入测量准备状态,按测量开始键则开始测量,并将测量值显示在显示器上,按测量结束键则自动返回“P.”状态。
4、交通灯
设计一个具有特定功能的十字路口交通灯。
该交通灯上电或按键复位后能自动显示系统提示符“P.”,进入准备工作状态。
按开始键则开始工作,按结束键则返回“P.”状态。
要求甲车道和乙车道两条交叉道路上的车辆交替运行,甲车道为主车道,每次通车时间为60秒,乙车道为次车道,每次通车时间为30秒,要求黄灯亮3秒,并且1秒闪烁一次。
有应急车辆出现时,红灯全亮,应急车辆通车时间10秒,同时禁止其他车辆通过。
5、抢答器
设计一个具有特定功能的抢答器。
该抢答器上电或按键复位后能自动显示系统提示符“P.”,进入准备工作状态。
主持人按下开始按钮后,抢答开始并限定时间30S;10S内无人抢答,蜂鸣器发出音响;主持人按下开始按钮之前有人按下抢答器,抢答违规,显示器显示违规台号,违规指示灯亮,其它按钮不起作用;正常抢答,显示器显示台号,蜂鸣器发出音响,其它抢答按钮无效;正常抢答下,从按下抢答按钮开始30S内,答完按钮没按下,则作超时处理,超时处理时,违规指示灯亮,显示器显示违规台号。
蜂鸣器发出音响;各台数字显示的消除,蜂鸣器音响及违规指示灯的关断,都要通过主持人按复位按钮。
6、密码锁
设计一个具有特定功能的密码锁。
该密码锁上电或按键复位后能自动显示系统提示符“P.”,进入准备工作状态。
该密码锁具有系统原始密码888888,用户可以设定并存储用户密码,密码输入时应处于保密显示状态,密码输入正确时应显示密码输入正确提示信息,否则,显示密码输入错误提示信息。
7、波形发生器
设计一个具有特定功能的波形发生器。
该波形发生器上电或按键复位后能自动显示系统提示符“P.”,进入准备工作状态。
该波形发生器可以分别产生幅值0~5V、频率100Hz~100KHz范围内的三角波、锯齿波、方波、梯形波和正弦波。
8、数字温度计
设计一个具有特定功能的数字温度计。
该数字温度计上电或按键复位后能自动显示系统提示符“P.”,进入准备工作状态。
测量温度范围0℃~99℃,测量精度小数点后两位,可以通过开始和结束键控制数字温度计的工作状态。
9、计算器
设计一个具有特定功能的计算器。
该计算器上电或按键复位后能自动显示系统提示符“P.”,进入准备工作状态。
能实现
(1)基本的加、减、乘、除、平方、开方;
(2)三角函数运算;(3)十进制、十六进制转换运算;(4)其他功能。
10、数字式秒表
设计一个具有特定功能的数字式秒表。
该数字式秒表上电或按键复位后能自动显示系统提示符“P.”,进入准备工作状态。
该数字式秒表应具有开始、暂停、连续、清零和停止功能。
设计要求
1、以上课题可以任选其一或多选,学生也可以自拟课题;
2、编程语言:
汇编或C51;
3、计算机打印《单片机技术》课程设计说明书一份;
4、设计时间:
一周;
5、实物制作;
6、人员分组:
一人一组一实物。
六、《单片机技术》课程设计说明书正文主要内容
参照“《单片机技术》课程设计说明书正文主要内容”文件。
七、《单片机技术》课程设计说明书书写规范格式
参照“《单片机技术》课程设计说明书书写规范格式”文件。
八、参考资料
1、马忠梅,单片机的C语言Windows环境编程宝典[M],北京:
北京航空航天大学出版社,2003.6;
2、李光飞,单片机C程序设计指导[M],北京:
北京航空航天大学出版社,2003.01;
3、李光飞,单片机课程设计实例指导[M],北京:
北京航空航天大学出版社,2004.9。
电气自动化教研室
2014年2月20日
摘要
此单片机课程设计介绍一种数字电压表的设计。
数字电压表的诞生打破了传统电子测量仪器的模式和格局。
它显示清晰直观、读数准确,采用了先进的数显技术,大大地减少了因人为因素所造成的测量误差事件。
数字电压表是把连续的模拟量(直流输入电压)转换成不连续、离散的数字形式,并加以显示的仪表。
数字电压表把电子技术、计算技术、自动化技术的成果与精密电测量技术密切的结合在一起,成为仪器、仪表领域中独立而完整的一个分支,数字电压表标志着电子仪器领域的一场革命,也开创了现代电子测量技术的先河。
此数字电压表设计基于单片机控制、A/D转换以及数码管显示技术,以单片机为控制器测量显示0-5V的电压。
其设计思路主要由以下三个模块组成:
数据处理模块,A/D转换模块及显示模块。
数据处理由芯片AT89S52来完成,其负责把ADC0809传送来的数字量经过一定的数据处理。
A/D转换由芯片ADC0809工作,它负责把采集到的模拟量转换为相应的数字量在传送到数据处理模块,最后产生相应的显示码送到显示模块进行显示。
关键词:
单片机;A/D转换;数字电压表;ADC0809
ABSTRACT
Thiscoursedesignthispaperintroducesthedesignofasimpledigitalvoltmeter.Thebirthofthedigitalvoltmeterhasbrokenthetraditionalelectronicmeasuringinstrumentofmodelandpattern.Itshowsclear,accuratereadings,adoptedtheadvanceddigitaldisplaytechnology,greatlyreducingtheerrorofmeasurementcausedbyhumanfactors.Digitalvoltagemeteristhecontinuousanalog(dcinputvoltage)intodiscrete,discretedigitalform,anddisplayinstrument.Digitalvoltmetertoresultsofelectronictechnology,computingtechnology,automationtechnologyandprecisionelectricmeasurementtechnologycloselyunifiesintogether,becometheinstrumentsinthefieldofindependentandcompleteabranch,digitalvoltmetermarksarevolutioninthefieldofelectronicinstrument,alsocreatedthemodernelectronicmeasurementtechnology.Thedigitalvoltmeterdesignbasedonsingle-chipmicrocomputercontrol,A/Dconversionanddigitaltubedisplaytechnology,withthesinglechipprocessorasthecontrollershowthat0to5vvoltagemeasurement.Ismainlycomposedofthefollowingthreemodules:
dataprocessingmodule,A/Dconversionmoduleanddisplaymodule.DataprocessingisperformedbyAT89S52chip,itsresponsibleforsendADC0809todigitalquantitythroughcertaindataprocessing.DonebyA/DconversionchipADC0809convertstheanalogquantityofcollectedforthecorrespondingdigitalquantityintransmittedtodataprocessingmodule.Eventuallyproducethecorrespondingdisplaycodesenttothedisplaymodule.
Keywordmicrocontroller;a/dconverter;digitalvoltmeter;adc0809
目录
1数字电压表的任务要求说明及设计方案介绍…………………………………1
1.1设计任务…………………………………………………………………1
1.2功能要求…………………………………………………………………1
1.3设计方案…………………………………………………………………1
1.4工作原理…………………………………………………………………2
2硬件电路的设计…………………………………………………………………3
2.1硬件电路的模块…………………………………………………………3
2.2PCB图及元器件面板布置图……………………………………………4
2.3元器件清单………………………………………………………………4
3软件系统的设计…………………………………………………………………5
3.1单片机资源使用…………………………………………………………5
3.2单片机软件模块设计……………………………………………………5
3.3程序清单…………………………………………………………………7
4电压表仿真结果及设计结论…………………………………………………8
4.1电压表使用说明…………………………………………………………8
4.2电压表仿真结果及误差分析……………………………………………9
4.3电压表设计结论…………………………………………………………9
4.4设计体会…………………………………………………………………11
结束语………………………………………………………………………………10
致谢…………………………………………………………………………………11
参考文献……………………………………………………………………………12
附录…………………………………………………………………………………13
附录A……………………………………………………………………………13
附录B……………………………………………………………………………15
附录C……………………………………………………………………………16
附录D……………………………………………………………………………17
附录E……………………………………………………………………………18
1数字电压表的任务要求说明及设计方案介绍
1.1设计任务
该数字电压表能够测量电压范围0—5V,测量精度小数点后两位。
该电压表上电或按键复位后能自动显示系统提示符“P.”,进入测量准备状态。
按测量开始键开始测量,并将测量值显示在显示器上。
按测量结束键则自动返回“P.”状态。
1.2功能要求
电路通电或按复位键时,显示“P."字符,再按功能键键1,进入电压测试状态,通过改变电位器的阻值改变模拟输入电压,不断的将模拟电压转换成数字量,通过数码管显示出所测得的模拟电压。
再按功能键键2退出电压测试状态,同时显示字符“P.”。
在改变电压时,能够准确的侧量出电压的变化值。
1.3设计方案
设计中采用常用的52单片机作为控制芯片,ADC0809芯片的CLK时钟信号脚接单片机的P1.4脚,数据输出口接单片机的P3口,地址线接低电平,IN0接输入电压(即测试电压),ADC0809通过采样进来的数据信号送给单片机,再通过
计算可以得到电压值,再通过显示电路,将所求得的电压值显示出来。
通过调节连接IN0引脚的点位器及可以调节电压是电压在0~5V变化。
其硬件流程图如图1所示。
图1硬件流程图
1.4工作原理
数字电压原理:
这里主要是利用ADC0809模数转换芯片,ADC0809芯片的基准电压脚外接电压为5V,则最大可以测得的电压为5V,ADC0809芯片的模拟输入脚通过电位器接5V电压,进行模拟采样,通过调整电位器的值改变模拟量。
输入的模拟量经过ADC0809芯片的内部电容逐次逼近A/D转换器,转换成8为二进制数,D为转化的数字量,再通过VIN=D*VREF/255可以求得模拟电压,最后通过数码管就可将所测得电压显示出来。
ADC0809是8位逐次逼近型A/D转换器。
逐次逼近型A/D转换器原理:
逐次逼近型A/D转换器是由一个比较器、A/D转换器、存储器及控制电路组成。
它利用内部的寄存器从高位到低位一次开始逐位试探比较。
开始时,寄存器各位清零,转换时,先将最高位置1,把数据送入A/D转换器转换,转换结果与输入的模拟量比较,如果转换的模拟量比输入的模拟量小,则1保留,如果转换的模拟量比输入的模拟量大,则1不保留,然后从第二位依次重复上述过程直至最低位,最后寄存器中的内容就是输入模拟量对应的二进制数字量。
2硬件电路的设计
2.1硬件电路的模块
本课程设计中硬件电路主要由单片机最小系统,独立式键盘,数码管显示,AD转换电路,工作电源,下载电路构成,下面具体介绍各部分的功能。
2.1.1单片机最小系统
(1)振荡电路
单片机中CPU每执行一条指令,都必须在统一的时钟脉冲的控制下严格按时间节拍进行,而这个时钟脉冲是单片机控制中的时序电路发出的。
CPU执行一条指令的各个微操作所对应时间顺序称为单片机的时序。
振荡电路通过这两个引脚外并接石英晶体振荡器和两只电容,这样就构成一个稳定的自激振荡器。
电路中的器件选择可以通过计算和实验确定,也可以参考一些典型电路的参数,电路中,电容器C1和C2对震荡频率有微调作用,通常的取值范围是30±10pF,在这个系统中选择了33pF;石英晶振选择范围最高可选24MHz,它决定了单片机电路产生的时钟信号震荡频率,在本系统中选择的是12MHz,因而时钟信号的震荡频率为12MHz。
为单片机提供时钟信号。
(2)复位电路
当震荡器起振后,只要该引脚上出现2个机器周期以上的高电平即可确保时器件复位。
复位完成后,如果RST端继续保持高电平,MCS-51就一直处于复位状态,只要RST恢复低电平后,单片机才能进入其他工作状态。
(3)AT89S52单片机
AT89S52是一种带8K字节闪烁可编程可擦除只读存储器(FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory)的低电压,高性能CMOS8位微处理器,俗称单片机。
AT89S单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
(4)电源模块
由USB借口供电。
(5)下载口电路
通过下载口吧程序导入单片机芯片内。
2.1.2键盘接口电路
独立式键盘:
独立式键盘中,每个按键占用一根I/O口线,每个按键电路相对独立。
I/O口通过按键与地相连,I/O口有上拉电阻,无键按下时,引脚端为高电平,有键按下时,引脚电平被拉低。
I/O口内部有上拉电阻时,外部可不接上拉电阻。
2.1.3显示电路
在应用系统中,设计要求不同,使用的LED显示器的位数也不同,因此就生产了位数,尺寸,型号不同的LED显示器供选择,在本设计中,选择4位一体的数码型LED显示器,简称“4-LED”。
本系统中前一位显示电压的整数位,即个位,后两位显示电压的小数位。
由于单片机的并行口不能直接驱动LED显示器,所以,在一般情况下,必须采用专用的驱动电路芯片,使之产生足够大的电流,显示器才能正常工作。
如果驱动电路能力差,即负载能力不够时,显示器亮度就低,而且驱动电路长期在超负荷下运行容易损坏,因此,LED显示器的驱动电路设计是一个非常重要的问题。
它的连接方式分别为数码管的位控制线接单片机的P2口,段控制线接单片机的P0口,通过段控与位控的交替控制实现数码管的动态显示。
2.1.4AD转换电路
ADC0809是8位逐次逼近型A/D转换器,它是由一个8路的模拟开关、一个地址锁存译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。
多路开关可选通8个模拟通道,允许8路模拟量分时输入,共用A/D转换器进行转换。
些A/D转换器是的特点是8位精度,属于并行口,如果输入的模拟量变化大快,必须在输入之前增加采样电路。
模拟电压转换成数字量后计算公式如式1.1所示。
式1.1
2.2原理图PCB图及元器件清单
2.2.1原理图
整板电路原理图见附录A
2.2.2PCB图
PCB图见附录B
2.2.3元器件面板布置图
元器件面板布置图见附录C
2.3元器件清单
元器件清单见附录D
3软件设计
3.1单片机资源使用
在本次设计中像电路键盘用到了P1口,其中P1.0和P1.1口作为键盘的输入,AD转换电路的控制线用了P1、P3口线,显示电路用到了P0和P2口。
3.2单片机软件模块设计
3.2.1主程序框图
主程序的流程框图如图2所示。
图2主程序的流程框图
3.2.2判断子程序框图
对于独立式键盘判键。
先观察是否有键按下,如果有键按下则延时一会儿。
再判断是否真的有键按下,如果有键按下,在判键释放。
最后执行键功能程序。
判键子程序流程框图如图3所示。
图3判键子程序流程图
3.2.3显示子程序框图
我采用的是四位一体的共阳数码管作为显示器,通过先送段控再送位控实现数码管的显示。
显示子程序流程框图如图4所示。
图4显示子程序流程图
3.2.4A/D转换程序框图
首先根据ADC0809芯片地址线的分配,模拟量电压值输入选中的地址通道,再利用给定的上跳沿与下跳沿的转变实现A/D转换。
通过查询EOC信号的状态,判断是否完成A/D转换,用OE信号控制输出转换得到数据。
A/D转换程序流程图如图5所示。
图5A/D转换程序流程图
3.3程序清单
程序清单见附录E。
4电压表仿真结果及设计结论
4.1电压表使用说明
首先开机进入电压测试等待状态,数码管显示字符“P."当键1按下时,单片机进入电压测量状态,可以测量的电压范围0--5V电压;当键2按下时退出电压测量状态,进入等待状态。
4.2电压表仿真结果及误差分析
在按下仿真运行的开始键之后,数码管显示了“P.”。
等待状态测试图如图6所示。
图6等待状态测试图
按下1键,显示测试电压数值。
如图7所示。
图7电压显示状态图
按下2键,则进行了复位,仍显示“P.”。
显示状态如图11所示。
图10测试结束状态图
电压表测试结果如表1所示。
表1电压表测试结果
次数
1
2
3
4
5
6
7
8
9
理论值/V
0.05
0.1
0.25
1.05
2.00
3.45
4.15
4.50
5.00
仿真值
0.03
0.1
0.23
1.03
2.00
3.43
4.13
4.50
5.00
4.3电压表设计结论
通过多次的反复测试,发现电压的实际测量值与实际值见差别较小,大约在0~0.02V之间,实际电压值比测得的电压值大。
制作的数字电压表中,所测得的数字电压值和实际电压值相差0.02V,这个误差可能由于单片机能够精确的小数为小数点后的6位,及小数点后的7位之后的全部去掉,会引起一定误差。
实验误差在允许范围之内,符合设计要求。
4.4设计体会
在本次课程设计中,硬件电路遇到了ADC0809无内部时钟,需外接外部时钟,开始不知道如何处理,后来查阅了相关资料,知道可以在程序中提供时钟信号,大大降低了硬件电路的复杂度。
通过软件编程,我更加熟练了汇编语言的使用。
我也认识到设计一个成功的电路,必须要有耐心,要有坚持的毅力。
在整个电路的设计过程中,重要的是各个单元电路的连接及电路的细节设计上,如在多种方案的选择中,我们仔细比较分析其原理以及可行的原因。
这就要求我们对硬件系统中各组件部分有充分透彻的理解和研究,并能对之灵活应用。
完成这次设计后,我在书本理论知识的基础上又有了更深层次的理解。
我还学会了高效率的查阅资料、运用工具书、利用网络查找资料。
我发现,在我们所使用的书籍上有一些知识在实际应用中其实并不是十分理想,各种参数都需要自己去调整,这就要求我们应更加注重实践环节。
结束语
通过这次课程设计,加强了我们动手、思考和解决问题的能力。
同时我觉得做课程设计也是对课本知识的巩固和加强,由于课本上的知识太多,平时课间的学习并不能很好的理解和运用各个元件的功能,而且考试内容有限,所以在这次课程设计过程中,我们了解了很多元件的功能,并且对其在电路中的使用有了更多的认识。
在本次设计的过程中,我们发现了很多的问题,虽然以前还做过这样的设计,但
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